JP3811516B2

JP3811516B2 - Switchable reluctance generator

Info

Publication number: JP3811516B2
Application number: JP24392095A
Authority: JP
Inventors: マウントフオードデイビスレツクス
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2015-08-30
Also published as: SG38860A1; US5705918A; KR960009336A; KR100364980B1; DE69501700D1; JPH08191599A; ES2113712T3; TW288223B; EP0702450B1; EP0702450A3; CA2156891A1; GB9417523D0; EP0702450A2; DE69501700T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切り換え式リラクタンス発電機および切り換え式リラクタンス発電機を作動させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＲモータのような切り換え式リラクタンス（ＳＲ）発電機は、電子切り換え回路を用いている。これらの回路は電源からエネルギーをロータ角の所定の範囲にわたって１つまたはそれ以上の相巻線に注入し、ロータ角の残りの範囲にわたって前述の注入よりも大きな量のエネルギーを相巻線から受け取る。この付加的なエネルギーは機械的エネルギーであり、回転方向にトルクを加えることによって発電機のロータに与えられる。
【０００３】
相巻線のインダクタンスはロータが回転するとき相巻線のステータ極とロータ極の間のオーバーラップの程度によって変化する。もし巻線インダクタンスが増加している間（即ち、オーバーラップが増加している間）巻線電流が優先的に生じるならば、ロータ極上の磁気力はオーバーラップを増加させる傾向にある。これはモータ動作に基づくものである。
【０００４】
もし巻線インダクタンスが減少している間（即ち、オーバーラップが減少している間）巻線電流が優先的に生じるならば、磁気力はロータ極とステータ極の分離を阻もうとする。磁気力に抗するこの分離はロータへ機械的エネルギーの入力を要求し、機械的エネルギーは、装置において、増加する巻線電流という形の電気的エネルギーに変換される。発電を行うために、阻む磁気力が極の分離中大きいいものであるようにインダクタンスが高い状態で、電流が巻線に発生しなければならない。
【０００５】
公知の電子スイッチング（切り換え）回路の同様な構成がロータ角の範囲を調整することによってモータ動作と発電動作の両方に用いられる。ロータ角の範囲にわたってエネルギーが巻線に注入され、かつエネルギーが巻線から取り出される。先行技術の電子切り換え回路の例が図１および図２に示されている。図１はＮ相巻線を持つ装置を示し、この装置では、できるだけ漏れインダクタンスを減少させるように、各相巻線は一緒に巻かれた２つのセクション（部分）から成る。これらのセクションのうちの１つは装置にエネルギーを注入するのに用いられ、他の１つは装置から戻るエネルギーを受け取るのに用いられる。
【０００６】
図２は、図１と図２の間のＩ² Ｒ巻線損失の比較を明瞭にするために２つの平行な巻線セクションを示すけれども、各巻線に対して単一のセクションを等しく十分利用できる。図２では、２つのスイッチング回路の各々内の両方のスイッチは、電源からエネルギーを巻線に注入するために閉じられなけらばならなく、両方のスイッチはエネルギーを巻線から受け取るために電源に対して開かれなければならない。１つのスイッチだけが閉じられるとき、利点のある第３のスイッチング構成が存在する。この構成では、巻線電流は自由に１つのスイッチおよび１つのダイオードを通して循環する。これは「フリーホイーリング」として知られている。このモードでは、エネルギーはロータと電気回路を含む機械部分の間で移送されてもよいが、電源へまたは電源からは移送されない。
【０００７】
用語「電源」は、エネルギーを発電機に注入することと、それによって発生されたエネルギーを吸収し貯蔵することの両方を行うことができる電気的貯蔵ディバイスを指示するものと理解されたい。勿論、エネルギーを発電機に注入する手段とエネルギーを吸収する手段は、貯蔵または直接の使用にかかわらず、別個の異なったものであってもよい。説明の便宜上、用語「負荷」は電源および貯蔵ディバイスの両方およびエネルギーを発電機に供給しまたは発電機から受け取る他の別個のまたは組み合わせた手段をいうために用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１の回路において、電流が１つのセクションから他のセクションに転流する短い期間を除いて、電流が１つのセクションだけを流れるので、２つのセクションに対して別個に求められたＲＭＳ電流の合計は一緒に求められた電流の合計のＲＭＳ値を越える。このことは図１におけるＩ² Ｒの巻線損失が、２つのセクションが並列に接続されており、余分な電子スイッチング回路が巻線エネルギーの注入および受け取りのために付加されている図２に示す回路のものより大きい。
【０００９】
他のスイッチング回路構成も提案されている。これらは、一般に、電子スイッチの総数を相当たりの２から全体においてより少ない数に減少させる目的を持ち図１に示すように各相に対して２つの巻線セクションを回避しようとするが、常に、（図１に示すように）相当たり１以上である。発電のためには、エネルギーの注入が生じる角度範囲は比較的高いインダクタンス（相のステータ極と相インダクタンスサイクルにおける最も近いロータ極との間の実質的な角度のオーバーラップから生じる）を持つ相巻線と一致する。これは、電源からエネルギーを受け取る相巻線が一般に低いインダクタンス（相のステータ極と相インダクタンスサイクルにおける最も近いロータ極との間の角度のオーバーラップがほとんどないまたは少ないことから生じる）モータ動作の目的と対照的である。
【００１０】
本発明の目的は、望ましくないトルクが発生される相インダクタンスサイクルの割合を減少させて発電モードで装置を一層効率的にする切り換え式リラクタンス発電機を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、ロータと、少なくとも１つの相巻線を有するステータと、スイッチ手段と、スイッチ手段の動作に従ってエネルギーを相巻線に供給する手段と、ステータに対してロータを回転する手段と、スイッチ手段を制御するように動作可能な制御手段とを有する切り換え式リラクタンス発電機において、制御手段は相巻線の少なくとも一部の両端に第１電圧におけるエネルギーを供給して相インダクタンスサイクルの第１部分中に第１速度で磁束を生じさせるためにスチッチ手段を動作させるように配列されておりかつスイッチ手段を動作させて相巻線の両端の第２電圧を切り換えて第２速度で磁束減少を生じさせるように配列されており、第２の減少速度は第１の磁束成長の速度より遅く、ロータの回転によって相インダクタンスサイクルの第２部分中に相巻線から第２電圧において供給されることを特徴とする切り換え式リラクタンス発電機が得られる。
【００１２】
本発明の１つの構成では、第１電圧は第２電圧より大きい。エネルギーを供給する手段は発電されたエネルギーを吸収する手段であってもよく、電気的エネルギー貯蔵ディバイスによって構成されてもよい。この場合、装置は、第１電圧で受け取り第２電圧で運ばれた電圧を昇圧する昇圧手段を含んでもよく、この昇圧手段が追加したスイッチ手段を含む。
【００１３】
本発明の他の構成では、第１電圧と第２電圧がほぼ同一であってもよい。磁束成長の速度は相巻線の２つの部分のうちの１つに電圧を印加することによって決められ、磁束の減少は遅い速度において磁束の減少を生じさせるように相巻線の２つの部分のうちのより大きなインダクタンス部分の両端に前記電圧のいずれか一方をその後印加することによって決められる。
【００１４】
好ましくは、相巻線の２つの部分は緊密に磁気的に結合される。これらは直列に接続されてもよい。相巻線の２つの部分は２本巻きされることがよい。
【００１５】
本発明によれば、また、ロータおよび少なくとも１つのステータ巻線を有するステータから成る切り換え式リラクタンス発電機を動作させる方法において、
ロータを回転し、
相インダクタンスサイクルの第１部分中に相巻線の少なくとも一部の両端のかかる第１電圧を切り換えて相インダクタンスサイクルの第１部分中に第１速度で磁束成長を生じさせ、
相インダクタンスサイクルの第２部分中に相巻線の両端の第２電圧を切り換えて、相インダクタンスサイクルの第２部分中磁束成長の第１速度より遅い第２減少速度で磁束減少を生じさせる、
ことを特徴とする方法が得られる。
【００１６】
方法の１つの形態では、第１電圧が第２電圧より大きい。
【００１７】
他の実施例としては、第１電圧および第２電圧はほぼ同一である。方法は、この点に関して、相インダクタンスサイクルの第１部分中に相巻線の２つの部分のうちの１つに１つの電圧を印加することと、相インダクタンスサイクルの第２部分中に相巻線の両方に前記電圧を印加することを含んでもよい。
【００１８】
本発明は、ステータに対して回転可能なロータと、少なくとも１つの相巻線を有するステータと、スイッチ手段と、スイッチ手段の動作に従ってエネルギーを相巻線に供給する手段と、スイッチ手段を制御するように動作可能でありスイッチ手段を動作させて相巻線の少なくとも一部の両端の第１電圧を切り換えてロータの相インダクタンスサイクルの第１部分中に第１速度で磁束成長を生じさせるするように配列されかつ相巻線の両端の第２電圧を切り換えて第２速度で磁束減少を生じさせるように配列された制御手段と、を有し、第２の減少速度は第１の磁束成長の速度より遅く、ロータの回転によってエネルギーが相インダクタンスサイクルの第２部分中に相巻線から第２電圧において発生されることを特徴とする切り換え式リラクタンス発電機に拡張できる。
【００１９】
一般に、スイッチ手段は、半導体ディバイスのような能動スイッチと、ダイオードから成り、それらは、能動スイッチが導通しているとき、磁束を生じさせるエネルギー注入が生じ、能動スイッチが非導通のときエネルギーの戻り（再生）が生じ、巻線電流がダイオードを通って流れるように規制されるように、配列されている。
【００２０】
電源から発電機へのエネルギーの注入期間は相巻線の全体または一部の両端に供給電圧を接続することによって相巻線に伴う磁束漏れの増大に関連する。供給によるエネルギーの回復は磁束漏れの減少と巻線に接続されたダイオードだけのに関連する。相インダクタンスが上昇しているとき磁束が存在する期間を最小にすることによって、望ましくない（モータ動作）トルクの発生を最小にするので、減少よりも磁束の増加を迅速にすることは有利である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
全般的に図３〜図８を参照すると、本発明の第１の特定の構成において、切り替え式リラクタンス発電機用の電子回路の構造は、発電機の巻線にエネルギーを注入する目的に対して、負荷の電圧より高い電源を与え、負荷は、巻線がエネルギーを戻す電気貯蔵能力を与え、戻されたエネルギーは注入したエネルギーを越えるものである。本発明のこの構成の特徴は、電子切り替え回路の一部として、より低い電圧で負荷からエネルギーを取り出し、そのエネルギーをより高い電圧に変換する回路が設けられていることである。高圧であるという理由でより早い速度で磁束が成長するように、前述のより高い電圧が発電機巻線に注入される。磁束の減少がもっと緩やかであるように、より低い電圧が磁束の減少中巻線の両端に印加される。この回路は、都合の良いことに、高周波数切り替えおよびエネルギー貯蔵技術を用いる周知のブーストコンバータの構成をなすものである。
【００２２】
特に、図３を参照すると、切り替え式リラクタンス発電機９用の切り替え回路が切り替え式リラクタンス発電機の３相巻線１０、１２、２４の各々に接続されている。相巻線の各々は、切り替え式巻線の励磁によって磁気極性が誘導されるステータの磁極を持つステータに取付けられている。ロータは、ロータを回転させる手段を構成するロータシャフトに連結された外部ドライブによって、ステータ内で回転させられる。
【００２３】
各相巻線１０、１２、１４は、一端にそれぞれ直列に接続されたスイッチ１６、１８、２０を有する。発電機９の相巻線の他端はブーストコンバータ２４の第１端子２２に共通に接続されている。スイッチはブーストコンバータ２４の第２端子２６に共通に接続されている。電気貯蔵ディバイスを含む発電機負荷２８は、発電機からのエネルギーの貯蔵器として、および巻線に対する励磁エネルギー源として機能する。負荷２８は、ブーストコンバータ２４の第１端子２２にやはり接続された（したがって、共通に接続された巻線の他端に接続された）正端子を有する。負荷２８の負端子はブーストコンバータ２４の第３端子に接続されている。再循環ダイオード３２、３４、３６は、負荷２８の負端子から関連する相巻線１０、１２、１４の一端に導通するようにそれぞれ接続されている。
【００２４】
ブーストコンバータ２４は、例えば、図４または図５に示す構成をとることができる。図４では、ブーストトランジスタ４０は、第３端子３０と、第２端子２６に向かって導通するように接続されたブーストダイオード４２に接続されている。インダクタ４３は、直列に接続されたブーストトタンジスタ４０とダイオード４２の間から第１端子２２に接続されている。第１キャパシタ４４は直列に接続されたブーストトランジスタ４０とブーストダイオード４２の間に、即ち、第２端子２６と第３端子３０の間に接続されている。第２キャパシタ４６はブーストコンバータ２４の第１端子２２と第３端子３０の間に接続されている。
【００２５】
図５では、ブーストコンバータは図４のブーストコンバータと似ているが、第１キャパシタ４４は第１端子２２と第２端子２６の間に接続されている。繰り返して言うことになるが、この回路は周知のブーストコンバータ回路であり、本明細書ではさらに詳細な説明は行わない。
【００２６】
図３に概略的に示すスイッチ１６、１８、２０は、一般に、電子スイッチディバイス、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のようなトランジスタか、または当業者が予想できる同様の電力半導体ディバイスのようなトランジスタである。
【００２７】
ブーストコンバータ２４は、相インダクタンスサイクルの第１部分中で相巻線に供給するより高い電圧を与え、その他では、負荷２８から得られる電圧を与えるのに用いられる。トランジスタ４０は、高周波数で、代表的には約１０〜１００ｋＨｚで、切り替えられる。
【００２８】
ブーストコンバータのトランジスタ４０が導通すると、エネルギーは負荷２８から、第２キャパシタ４６によって平滑にされ、インダクタ４３に移送される。次に、トランジスタ４０が非導通になると、昇圧された電圧におけるエネルギーは、（図４の回路の場合には）、インダクタ４３および負荷２８からダイオード４２を介して第１キャパシタ４４に移送され、したがって、３つのスイッチ１６、１８、２０に移送され、これらのスイッチが発電機巻線１０、１２、１４にエネルギーを順に注入する。スイッチ１６、１８、２０は周知の切り替え式リラクタンス発電機のタイミング実行に従ってロータの適切な回転角で作動される。
【００２９】
図５の場合には、インダクタ４３中のエネルギーは第１キャパシタ４４に移送されるが、発電機巻線に注入されるエネルギーは、第２キャパシタ４６によって平滑にされ、第１キャパシタ４４および負荷２８から誘導される。
【００３０】
スイッチ１６、１８、２０の導通中発電機巻線１０、１２、１４の各々に最初に注入された、昇圧した電圧におけるエネルギーは、ＳＲ発電機のロータを回転させる機械力の結果として、ＳＲ発電機作用によって増大させられる。このため、スイッチ１６、１８、２０のいずれかがその相インダクタンスサイクル中開かれると、関連するダイオード３２、３４、３６を介して負荷２８に戻されたエネルギーは、負荷供給電圧における負荷２８から前に引き出された注入エネルギーを越える。ＳＲ発電機の１サイクルまたは全サイクルにわたって、余分のエネルギーは、電気エネルギー（電力）貯蔵ディバイスおよび（または）電気エネルギーのシンク（充電器）として、負荷２８を給電するのに利用できる。
【００３１】
本発明の第１構成の他の実施例は、図６に示されており、他の実施例のブーストコンバータが図７および図８に示されている。図３〜図５と同一の部品には同一の符号が付されている。図６の回路は、実際上、図３の回路の部品の再配列である。
【００３２】
図６において、巻線１０、１２、１４を通る電流の流れは、図３の配列の巻線の電流の流れと反対方向である。負荷２８の極性が反転されており、ダイオード３２、３４、３６の導通方向およびスイッチ１６、１８、２０の導通方向は反転されており、即ち、すべての極性および電流方向が反転されている。本質的に、図６の回路の動作は、図３の回路のものと均等であるので、本明細書では、さらに詳細な説明は省略する。
【００３３】
本発明の第２の特定の構成によると、ＳＲ発電機には、３つの相巻線が設けられており、各巻線は２つのセクション（部分）から成り、２つのセクションは磁気的に緊密に結合されており、電流が相巻線の両方のセクションを通って流れるとき、各セクションによって発生される磁束が同一向きであるように、接続されている。本発明のこの特定の構成の回路は図９に示されている。
【００３４】
図９において、３つの相巻線の各々は、直列接続された第１巻線セクション５０、５４、５８と第２巻線セクション５２、５６、６０から作られている。負荷６２は、その負端子が第１スイッチ６４、６６、６８の各々の１つに接続されており、第１スイッチは、それぞれ、対応する対の巻線セクションの各々の間に接続されている。同様に、３つのスイッチ７０、７２、７４の各々は、それぞれ、対応する第１巻線５０、５４、５８の反対端部に接続されている。３つのダイオード７６、７８、８０の各々は、それぞれ、負荷６２の負端子から対応する第１巻線５０、５４、５８の反対端部に導通するように接続されている。負荷６２の正端子は３つのさらに他のダイオード８２、８４、８６の各々に接続されており、ダイオードは、それぞれ、対応する第２巻線セクション５２、５６、６０の反対端部に接続されている。
【００３５】
本発明の前述の構成と同様に、スイッチ６４〜７４は例えばＩＧＢＴ等のトランジスタを用いる電子スイッチングディバイスである。
【００３６】
図９の構造によって、負荷６２からのエネルギーは、前述のように、ロータ角の所定の範囲にわたって各相巻線の１つのセクションに順に注入され、ロータ角運動の残りの範囲にわたって各相巻線の両方のセクションからエネルギーが戻される。戻されたエネルギーはＳＲ発電機のロータを回転させる機械的作動力の結果として注入したエネルギーを越える。
【００３７】
図９の回路は、負荷６２の全電圧がエネルギー注入中相の選択された１つの相のうちの１つのセクションに印加されるが、相の２つのセクションは、エネルギーが戻されている間負荷６２に直列に接続されるように、構成されている。
【００３８】
負荷６２からのエネルギーはスイッチ対７０および６４、７２および６６、７４および６８を順に閉じることによって第１巻線セクション５０、５４、５８に注入され、負荷６２から電流を順に対応する巻線セクションに発生させる。各相に関連するスイッチ対７０および６４、７２および６６、７４および６８が開かれると、巻線セクション５０、５４、５８に流れている電流は、それぞれ、第２巻線セクションに部分的に移送され、このため、各相に関連する磁束が実質的に変わらない。第２巻線セクションに流れる電流は、このため、ＳＲ発電機作用に増大する。その結果、エネルギー注入中に負荷から取り出されたものよりも多いエネルギーが、ＳＲ発電機のロータを回転させる機械的作動力の結果として、ダイオード７６および８２、７８および８４、８０および８６を介して負荷に戻される。
【００３９】
第１巻線セクションに印加される負荷６２からの電圧は単独で低いインダクタンスに起因する比較的高い磁束成長速度を決める。負荷６２が全体として相巻線に印加されるとき、同一の電圧が増大したインダクタンスに起因して低い磁束減少速度を決める。
【００４０】
特に有効な構成では、各相巻線の２つのセクションは等しいターン数を持ち、１つの相の２つのセクション間の磁気結合を最大にするために二本巻きで巻かれる。得られた緊密な結合によって、２つのセクションの間の電流の移送が補える。
【００４１】
代表的な先行技術のスイッチング回路に合わせて、この実施例では各相巻線に対して２つの能動スイッチがある。エネルギーが巻線対の１つ、例えば、５０／５２に注入された後、前述のように、負荷６２に電流を流すことなくまたは負荷６２から電流を取り出すことなく、関連するスイッチの１つをオフすることによってフリーホイーリングモードにおいてロータと巻線の間でエネルギーを移送することが可能であり、相インダクタンス期間の何分の１の遅延の後に第２スイッチをオフすることが可能である。エネルギー注入後で負荷にエネルギーを戻す前のフリーホイーリングモードにおけるスイッチのこの動作によって、特に低速度でＳＲ発電機の制御に対して大きな自由度が得られる。
【００４２】
図１０は、本発明で使用できる切り替え式リラクタンス発電機システムを簡略に示している。システムは、原動機９０（例えば、内燃機関）から成り、原動機はロータ９２のシャフトに連結されており、ロータ９２は切り替えリラクタンス機械９４の一部である。この実施例では、３相機械が示されている。この機械は、コントローラ１００の制御の下で接続部９８を通して３相巻線中のエネルギーを制御するスイッチング回路９６によって制御される。スイッチング回路によって制御されるエネルギーの供給は負荷として作動する共通のバッテリー１０２から行われ、エネルギーの戻しは共通バッテリによって行われる。
【００４３】
低速度で、エネルギー注入が前述の図９の回路を用いて実行できる。負荷に戻された（即ち、発電された）エネルギーはフリーホイーリングの期間と相インダクタンスサイクル中のエネルギー戻しの期間を交互に含むものである。フリーホイーリング期間中、巻線電流は増加し、エネルギーをロータから引き出す。エネルギー戻し期間中、エネルギーは、ロータからの付加的な補助によって、負荷に戻される。フリーホイーリング期間とエネルギー戻し期間を交互に用いることを「チョッピング」と呼んでも良いであろう。低速度で、チョッピングモードは、電流を発電システムから引き出すことができる期間を増大させるのに用いることができ、このため、拡張された期間が相インダクタンスサイクルの大きい部分となることができる。
【００４４】
一般に、本発明は、発電に利用できる相インダクタンス期間の割合を増加し、モータ動作が生じる割合を減少させる。以上、本発明を前述の図示の実施例に関連して説明してきたが、当業者は本発明の範囲内で多数の変形をなされうることがわかる。したがって、２、３の実施例の前述の記載は例示としてなされたものであり、限定を目的とするものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、望ましくないトルクが発生される相インダクタンスサイクルの割合を減少させて発電モードで装置を一層効率的にする切り換え式リラクタンス発電機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の切り替え式リラクタンス発電機のスイッチング回路の回路図である。
【図２】図２は、従来の切り替え式リラクタンス発電機のスイッチング回路の回路図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施例の回路図である。
【図４】図４は、図３の回路で使用する他の実施例の電圧ブースタの回路図である。
【図５】図５は、図３の回路で使用する他の実施例の電圧ブースタの回路図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施例の回路図である。
【図７】図７は、図６の回路で使用する他の実施例の電圧ブースタの回路図である。
【図８】図８は、図６の回路で使用する他の実施例の電圧ブースタの回路図である。
【図９】図９は、本発明の第３実施例の回路図である。
【図１０】図１０は、本発明を組み込んだ発電機システムの概略図である。
【符号の説明】
１０、１２、１４相巻線
１６、１８、２０スイッチ
２４ブーストコンバータ
３２、３４、３６ダイオード
２８負荷
４８ブーストコンバータ
４０ブーストトランジスタ
４２ブーストダイオード
４４第１キャパシタ
４６第２キャパシタ
４３インダクタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switched reluctance generator and a method of operating a switched reluctance generator.
[0002]
[Prior art]
A switched reluctance (SR) generator, such as an SR motor, uses an electronic switching circuit. These circuits inject energy from the power source into one or more phase windings over a predetermined range of rotor angles and receive a greater amount of energy from the phase windings than the previous injection over the remaining range of rotor angles. . This additional energy is mechanical energy and is applied to the generator rotor by applying torque in the direction of rotation.
[0003]
The inductance of the phase winding varies with the degree of overlap between the stator and rotor poles of the phase winding as the rotor rotates. If the winding current preferentially occurs while the winding inductance is increasing (ie, while the overlap is increasing), the magnetic force on the rotor pole tends to increase the overlap. This is based on motor operation.
[0004]
If the winding current preferentially occurs while the winding inductance is decreasing (ie, while the overlap is decreasing), the magnetic force will try to prevent the rotor and stator poles from separating. This separation against magnetic forces requires mechanical energy input to the rotor, which is converted in the device into electrical energy in the form of increasing winding current. In order to generate electricity, current must be generated in the windings with high inductance so that the magnetic force to block is great during pole separation.
[0005]
Similar configurations of known electronic switching circuits are used for both motor and power generation operations by adjusting the rotor angle range. Energy is injected into the winding over a range of rotor angles and energy is extracted from the winding. An example of a prior art electronic switching circuit is shown in FIGS. FIG. 1 shows a device with N-phase windings, in which each phase winding consists of two sections wound together so as to reduce leakage inductance as much as possible. One of these sections is used to inject energy into the device and the other is used to receive energy returning from the device.
[0006]
FIG. 2 shows two parallel winding sections to clarify the comparison of I ² R winding losses between FIG. 1 and FIG. 2, but utilizes a single section equally well for each winding. it can. In FIG. 2, both switches in each of the two switching circuits must be closed to inject energy from the power source into the winding, and both switches must be on the power source to receive energy from the winding. It must be opened against. There is an advantageous third switching configuration when only one switch is closed. In this configuration, the winding current freely circulates through one switch and one diode. This is known as “freewheeling”. In this mode, energy may be transferred between the rotor and the mechanical part containing the electrical circuit, but not transferred to or from the power source.
[0007]
The term “power source” should be understood to indicate an electrical storage device that can both inject energy into the generator and absorb and store the energy generated thereby. Of course, the means for injecting energy into the generator and the means for absorbing energy may be separate and distinct, whether stored or used directly. For convenience of explanation, the term “load” is used to refer to both power and storage devices and other separate or combined means of supplying or receiving energy from the generator.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the circuit of FIG. 1, the sum of the RMS currents determined separately for the two sections, since the current flows through only one section, except for a short period in which the current commutates from one section to the other. Exceeds the total RMS value of the currents determined together. This is illustrated in FIG. ^{2 where} the winding loss of I ² R in FIG. 1 is shown in FIG. ² where the two sections are connected in parallel and an extra electronic switching circuit is added to inject and receive winding energy. Greater than that of the circuit.
[0009]
Other switching circuit configurations have also been proposed. These generally have the purpose of reducing the total number of electronic switches from 2 per phase to a lower number overall, trying to avoid two winding sections for each phase as shown in FIG. , 1 or more per phase (as shown in FIG. 1). For power generation, the angular range where energy injection occurs is a phase winding with a relatively high inductance (resulting from a substantial angular overlap between the phase stator poles and the closest rotor pole in the phase inductance cycle). Match the line. This is for the purpose of motor operation where the phase windings that receive energy from the power supply are generally of low inductance (resulting in little or no angular overlap between the phase stator poles and the nearest rotor pole in the phase inductance cycle). Contrast with.
[0010]
It is an object of the present invention to provide a switched reluctance generator that makes the device more efficient in power generation mode by reducing the proportion of phase inductance cycles in which undesirable torque is generated.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a rotor, a stator having at least one phase winding, switch means, means for supplying energy to the phase winding according to the operation of the switch means, means for rotating the rotor relative to the stator, In a switched reluctance generator having control means operable to control the switch means, the control means supplies energy at a first voltage across at least a portion of the phase winding to provide a first phase inductance cycle. The switch means is arranged to operate in order to generate a magnetic flux at a first speed in the portion and the switch means is operated to switch the second voltage across the phase winding to reduce the magnetic flux at the second speed. Arranged so as to cause the second reduction rate to be slower than the first magnetic flux growth rate, and rotation of the rotor causes phase inductance Switching reluctance generator, characterized in that it is supplied in the second voltage from the phase winding during the second part of the cycle is obtained.
[0012]
In one configuration of the invention, the first voltage is greater than the second voltage. The means for supplying energy may be a means for absorbing the generated energy and may be constituted by an electrical energy storage device. In this case, the apparatus may include boosting means for boosting the voltage received by the first voltage and carried by the second voltage, and includes switching means added by the boosting means.
[0013]
In other configurations of the present invention, the first voltage and the second voltage may be substantially the same. The rate of magnetic flux growth is determined by applying a voltage to one of the two parts of the phase winding, and the reduction of the magnetic flux causes the reduction of the magnetic flux at the lower speeds so that the reduction of the magnetic flux occurs at a slower speed. It is determined by subsequently applying one of the voltages across the larger inductance portion.
[0014]
Preferably, the two parts of the phase winding are closely magnetically coupled. These may be connected in series. Two portions of the phase winding may be wound twice.
[0015]
According to the invention, also in a method of operating a switched reluctance generator comprising a rotor and a stator having at least one stator winding,
Rotate the rotor,
Switching such first voltage across at least a portion of the phase winding during the first part of the phase inductance cycle to cause magnetic flux growth at a first rate during the first part of the phase inductance cycle;
Switching the second voltage across the phase winding during the second part of the phase inductance cycle to cause a flux decrease at a second rate of decrease that is slower than the first rate of magnetic flux growth during the second part of the phase inductance cycle;
A method characterized by this is obtained.
[0016]
In one form of the method, the first voltage is greater than the second voltage.
[0017]
As another example, the first voltage and the second voltage are substantially the same. In this regard, the method applies a voltage to one of the two parts of the phase winding during the first part of the phase inductance cycle and the phase winding during the second part of the phase inductance cycle. The voltage may be applied to both of them.
[0018]
The invention relates to a rotor rotatable relative to a stator, a stator having at least one phase winding, switch means, means for supplying energy to the phase winding in accordance with the operation of the switch means, and control of the switch means Operable to switch the first voltage across at least a portion of the phase winding to cause flux growth at a first speed during a first portion of the rotor phase inductance cycle. And control means arranged to switch a second voltage across the phase winding to cause a magnetic flux reduction at a second speed, the second speed of reduction being the first flux growth rate. Switching reluctator characterized in that energy is generated at a second voltage from the phase winding during the second part of the phase inductance cycle by rotation of the rotor, slower than the speed It can be extended to the scan generator.
[0019]
In general, the switch means consists of an active switch, such as a semiconductor device, and a diode, which causes energy injection to generate magnetic flux when the active switch is conducting and energy return when the active switch is non-conducting. (Regeneration) occurs and is arranged so that the winding current is regulated to flow through the diode.
[0020]
The period of energy injection from the power source to the generator is related to increased flux leakage associated with the phase winding by connecting a supply voltage across all or part of the phase winding. The energy recovery by supply is related to the reduction of magnetic flux leakage and only the diode connected to the winding. It is advantageous to increase the magnetic flux more quickly than to reduce it because it minimizes the generation of undesirable (motor operating) torque by minimizing the period during which the magnetic flux is present when the phase inductance is rising .
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Referring generally to FIGS. 3-8, in the first specific configuration of the present invention, the structure of the electronic circuit for the switched reluctance generator is for the purpose of injecting energy into the windings of the generator. The power supply is higher than the voltage of the load, the load provides the electrical storage ability of the windings to return energy, and the returned energy exceeds the injected energy. A feature of this configuration of the present invention is that as part of the electronic switching circuit, a circuit is provided that extracts energy from the load at a lower voltage and converts the energy to a higher voltage. The higher voltage mentioned above is injected into the generator winding so that the magnetic flux grows at a faster rate because of the high pressure. A lower voltage is applied across the winding during the flux reduction so that the flux reduction is more gradual. This circuit conveniently forms the well-known boost converter configuration using high frequency switching and energy storage techniques.
[0022]
In particular, referring to FIG. 3, a switching circuit for the switched reluctance generator 9 is connected to each of the three-phase windings 10, 12, 24 of the switched reluctance generator. Each of the phase windings is attached to a stator having a stator pole whose magnetic polarity is induced by excitation of the switchable winding. The rotor is rotated in the stator by an external drive connected to a rotor shaft that constitutes means for rotating the rotor.
[0023]
Each phase winding 10, 12, 14 has a switch 16, 18, 20 connected in series to one end. The other end of the phase winding of the generator 9 is connected in common to the first terminal 22 of the boost converter 24. The switch is commonly connected to the second terminal 26 of the boost converter 24. A generator load 28, including an electrical storage device, functions as a reservoir for energy from the generator and as a source of excitation energy for the windings. The load 28 has a positive terminal that is also connected to the first terminal 22 of the boost converter 24 (and thus connected to the other end of the commonly connected winding). The negative terminal of the load 28 is connected to the third terminal of the boost converter 24. The recirculation diodes 32, 34, 36 are connected to conduct from the negative terminal of the load 28 to one end of the associated phase winding 10, 12, 14, respectively.
[0024]
The boost converter 24 can take, for example, the configuration shown in FIG. 4 or FIG. In FIG. 4, the boost transistor 40 is connected to the third terminal 30 and a boost diode 42 that is connected to be conductive toward the second terminal 26. The inductor 43 is connected to the first terminal 22 from between the boost transistor 40 and the diode 42 connected in series. The first capacitor 44 is connected between the boost transistor 40 and the boost diode 42 connected in series, that is, between the second terminal 26 and the third terminal 30. The second capacitor 46 is connected between the first terminal 22 and the third terminal 30 of the boost converter 24.
[0025]
In FIG. 5, the boost converter is similar to the boost converter of FIG. 4, but the first capacitor 44 is connected between the first terminal 22 and the second terminal 26. Again, this circuit is a well known boost converter circuit and will not be described in further detail here.
[0026]
The switches 16, 18, 20 shown schematically in FIG. 3 are generally electronic switch devices, such as transistors such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs) or similar power semiconductor devices that one skilled in the art can anticipate. It is a transistor.
[0027]
Boost converter 24 provides a higher voltage to supply to the phase winding during the first part of the phase inductance cycle, and is otherwise used to provide a voltage derived from load 28. Transistor 40 is switched at a high frequency, typically about 10-100 kHz.
[0028]
When the boost converter transistor 40 conducts, energy is smoothed by the second capacitor 46 from the load 28 and transferred to the inductor 43. Next, when transistor 40 becomes non-conducting, energy in the boosted voltage (in the case of the circuit of FIG. 4) is transferred from inductor 43 and load 28 via diode 42 to first capacitor 44, and thus Three switches 16, 18, 20 are transferred, which in turn inject energy into the generator windings 10, 12, 14. The switches 16, 18, 20 are operated at the appropriate rotation angle of the rotor according to the timing execution of the known switched reluctance generator.
[0029]
In the case of FIG. 5, the energy in the inductor 43 is transferred to the first capacitor 44, but the energy injected into the generator winding is smoothed by the second capacitor 46 and the first capacitor 44 and the load 28. Derived from.
[0030]
The energy at the boosted voltage initially injected into each of the generator windings 10, 12, 14 during conduction of the switches 16, 18, 20 is SR power generation as a result of the mechanical force rotating the SR generator rotor. Increased by mechanical action. Thus, if any of the switches 16, 18, 20 are opened during their phase inductance cycle, the energy returned to the load 28 via the associated diodes 32, 34, 36 is prior to the load 28 at the load supply voltage. Exceeds the implantation energy drawn out. Over one or all cycles of the SR generator, excess energy is available to power the load 28 as an electrical energy (power) storage device and / or a sink (charger) of electrical energy.
[0031]
Another embodiment of the first configuration of the present invention is shown in FIG. 6, and a boost converter of another embodiment is shown in FIGS. The same components as those in FIGS. 3 to 5 are denoted by the same reference numerals. The circuit of FIG. 6 is actually a rearrangement of the components of the circuit of FIG.
[0032]
In FIG. 6, the current flow through the windings 10, 12, 14 is in the opposite direction to the current flow of the windings in the arrangement of FIG. The polarity of the load 28 is reversed, the conduction direction of the diodes 32, 34, 36 and the conduction direction of the switches 16, 18, 20 are reversed, i.e., all polarities and current directions are reversed. Since the operation of the circuit of FIG. 6 is essentially the same as that of the circuit of FIG. 3, further detailed description is omitted herein.
[0033]
According to a second specific configuration of the invention, the SR generator is provided with three phase windings, each winding consisting of two sections, the two sections being magnetically tight. Coupled so that when current flows through both sections of the phase winding, the magnetic flux generated by each section is in the same orientation. The circuit of this particular configuration of the present invention is shown in FIG.
[0034]
In FIG. 9, each of the three phase windings is made up of a first winding section 50, 54, 58 and a second winding section 52, 56, 60 connected in series. The load 62 has its negative terminal connected to one of each of the first switches 64, 66, 68, each of which is connected between each of the corresponding pair of winding sections. . Similarly, each of the three switches 70, 72, 74 is connected to the opposite end of the corresponding first winding 50, 54, 58, respectively. Each of the three diodes 76, 78, and 80 is connected to conduct from the negative terminal of the load 62 to the opposite end of the corresponding first winding 50, 54, 58, respectively. The positive terminal of the load 62 is connected to each of three further diodes 82, 84, 86, which are connected to the opposite ends of the corresponding second winding sections 52, 56, 60, respectively. Yes.
[0035]
Similar to the above-described configuration of the present invention, the switches 64 to 74 are electronic switching devices using transistors such as IGBTs.
[0036]
With the structure of FIG. 9, energy from the load 62 is injected sequentially into one section of each phase winding over a predetermined range of rotor angles, as described above, and each phase winding over the remaining range of rotor angular motion. Energy is returned from both sections. The energy returned exceeds the energy injected as a result of the mechanical actuation force that rotates the rotor of the SR generator.
[0037]
The circuit of FIG. 9 applies the entire voltage of load 62 to one section of a selected phase of the energy injecting phase, while the two sections of the phase are loaded while energy is being returned. 62 is connected in series.
[0038]
Energy from the load 62 is injected into the first winding section 50, 54, 58 by closing the switch pairs 70 and 64, 72 and 66, 74 and 68 in turn, and current from the load 62 is sequentially applied to the corresponding winding section. generate. When the switch pairs 70 and 64, 72 and 66, 74 and 68 associated with each phase are opened, the current flowing in the winding sections 50, 54 and 58 is partially transferred to the second winding section, respectively. Thus, the magnetic flux associated with each phase remains substantially unchanged. The current flowing in the second winding section is thus increased to the SR generator action. As a result, more energy than that extracted from the load during energy injection is passed through diodes 76 and 82, 78 and 84, 80 and 86 as a result of the mechanical actuation force that rotates the rotor of the SR generator. Return to load.
[0039]
The voltage from the load 62 applied to the first winding section alone determines a relatively high flux growth rate due to low inductance. When the load 62 is applied to the phase winding as a whole, the same voltage determines a low flux reduction rate due to the increased inductance.
[0040]
In a particularly effective configuration, the two sections of each phase winding have equal number of turns and are wound in two turns to maximize the magnetic coupling between the two sections of one phase. The resulting tight coupling compensates for the current transfer between the two sections.
[0041]
In accordance with a typical prior art switching circuit, in this embodiment there are two active switches for each phase winding. After energy is injected into one of the winding pairs, for example 50/52, as described above, one of the associated switches can be turned on without flowing current into or removing current from load 62. By turning off, energy can be transferred between the rotor and windings in freewheeling mode, and the second switch can be turned off after a fraction of the phase inductance period delay. This operation of the switch in the freewheeling mode after energy injection and before returning energy to the load provides great freedom for controlling the SR generator, especially at low speeds.
[0042]
FIG. 10 schematically illustrates a switched reluctance generator system that can be used with the present invention. The system comprises a prime mover 90 (eg, an internal combustion engine) that is coupled to the shaft of a rotor 92 that is part of a switched reluctance machine 94. In this example, a three phase machine is shown. The machine is controlled by a switching circuit 96 that controls the energy in the three-phase winding through connection 98 under the control of controller 100. The supply of energy controlled by the switching circuit is performed from the common battery 102 operating as a load, and the energy is returned by the common battery.
[0043]
At low speed, energy injection can be performed using the circuit of FIG. 9 described above. The energy returned to the load (ie, generated) alternates between freewheeling periods and energy return periods during the phase inductance cycle. During the freewheeling period, the winding current increases and draws energy from the rotor. During the energy return period, energy is returned to the load with additional assistance from the rotor. The alternating use of the freewheeling period and the energy return period may be called “chopping”. At low speed, the chopping mode can be used to increase the period during which current can be drawn from the power generation system, so that the extended period can be a large part of the phase inductance cycle.
[0044]
In general, the present invention increases the proportion of phase inductance periods available for power generation and decreases the proportion of motor operation. While the present invention has been described in connection with the illustrated embodiments described above, those skilled in the art will recognize that many variations can be made within the scope of the present invention. Accordingly, the foregoing description of a few embodiments has been made by way of example and not for purposes of limitation. The present invention should be limited only by the claims.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a switched reluctance generator that reduces the proportion of phase inductance cycles in which undesirable torque is generated, making the device more efficient in power generation mode.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a switching circuit of a conventional switched reluctance generator.
FIG. 2 is a circuit diagram of a switching circuit of a conventional switched reluctance generator.
FIG. 3 is a circuit diagram of a first embodiment of the present invention.
4 is a circuit diagram of another example voltage booster used in the circuit of FIG. 3;
FIG. 5 is a circuit diagram of another example voltage booster used in the circuit of FIG. 3;
FIG. 6 is a circuit diagram of a second embodiment of the present invention.
7 is a circuit diagram of a voltage booster of another embodiment used in the circuit of FIG. 6. FIG.
8 is a circuit diagram of a voltage booster according to another embodiment used in the circuit of FIG. 6;
FIG. 9 is a circuit diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram of a generator system incorporating the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 12, 14 phase winding 16, 18, 20 switch 24 boost converter 32, 34, 36 diode 28 load 48 boost converter 40 boost transistor 42 boost diode 44 first capacitor 46 second capacitor 43 inductor

Claims

Controlling the rotor, the stator having at least one phase winding, the switching means, the means for supplying energy to the phase winding according to the operation of the switching means, the means for rotating the rotor relative to the stator, and the switching means In the switched reluctance generator having control means operable in such a manner, the control means supplies energy at a first voltage across at least a portion of the phase winding to provide a first during the first part of the phase inductance cycle. Arranged to operate the switch means to generate magnetic flux at speed and arranged to operate the switch means to switch the second voltage across the phase winding to produce magnetic flux reduction at the second speed. And the second rate of decrease is slower than the rate of first magnetic flux growth, and the rotation of the rotor causes the second part of the phase inductance cycle. Switching reluctance generator, characterized in that it is supplied in the second voltage from the phase winding during.

2. A switched reluctance generator according to claim 1, wherein the first voltage is greater than the second voltage.

3. The switched reluctance generator according to claim 1, further comprising boosting means arranged to receive energy generated by the second voltage and boost it to another voltage.

4. The switched reluctance generator according to claim 3, wherein the boosting means is arranged to boost the energy generated by the second voltage to the first voltage.

2. The switched reluctance generator according to claim 1, wherein the phase winding has a first voltage applied to the first portion of the phase winding and a second voltage applied across the first and second portions of the phase winding. A switched reluctance generator characterized in that the tap is formed as described above.

6. The switched reluctance generator according to claim 5, wherein the first and second voltages are substantially the same.

7. The switched reluctance generator according to claim 5, wherein the first part and the second part of the phase winding are arranged so as to be closely magnetically coupled.

8. The switched reluctance generator according to claim 6 or 7, wherein the first part and the second part of the phase winding are connected in series.

9. The switched reluctance generator according to claim 7, wherein the first and second portions of the phase winding are wound in two.

10. A switched reluctance generator as claimed in any one of claims 1 to 9, wherein the energy supply means comprises an electrical storage device.

11. A switched reluctance generator according to claim 10, wherein the electrical storage device is arranged to absorb energy generated by the second voltage.

In a method of operating a switched reluctance generator comprising a rotor and a stator having at least one stator winding,
Rotate the rotor,
Switching a first voltage across at least a portion of the phase winding during a first portion of the phase inductance cycle to cause magnetic flux growth at a first speed during the first portion of the phase inductance cycle;
Switching the second voltage across the phase winding during the second part of the phase inductance cycle to cause a flux decrease at a second rate of decrease that is slower than the first rate of magnetic flux growth during the second part of the phase inductance cycle;
A method characterized by that.

The method of claim 12, wherein the first voltage is greater than the second voltage.

The method of claim 13, further comprising boosting the second voltage to the first voltage.

13. The method of claim 12, wherein a first voltage is applied to one of the two portions of the phase winding during the first portion of the phase inductance cycle, and the phase winding during the second portion of the phase inductance cycle. The method further comprising applying a second voltage to both portions.

16. The method of claim 15, wherein the first voltage and the second voltage are substantially the same.

A rotor rotatable relative to the stator, a stator having at least one phase winding, switch means, means for supplying energy to the phase winding in accordance with the operation of the switch means, and operable to control the switch means And operating the switch means to switch the first voltage across at least a portion of the phase winding to cause magnetic flux growth at a first speed during the first portion of the phase inductance cycle of the rotor and Control means arranged to switch a second voltage across the phase winding to cause a magnetic flux reduction at a second speed, the second speed of reduction being slower than the speed of the first magnetic flux growth; A switched reluctance generator characterized in that energy is generated at a second voltage from the phase winding during the second part of the phase inductance cycle by rotation of the rotor

18. The switched reluctance generator according to claim 17, further comprising boosting means arranged to receive energy generated by the second voltage and boost it to another voltage.

18. The switched reluctance generator according to claim 17, wherein the phase winding has a first voltage that can be applied to the first portion of the phase winding and a second voltage is applied across the first and second portions of the phase winding. A switchable reluctance generator, wherein the switchable reluctance generator is arranged in a first part and a second part so as to be impressable.

20. The switched reluctance generator according to claim 19, wherein the first and second portions of the phase winding are arranged to be closely magnetically coupled.

21. The switched reluctance generator according to claim 19 or 20, wherein the first part and the second part of the phase winding are connected in series.

The switched reluctance generator according to claim 20 or 21, wherein the first and second portions of the phase winding are wound in two.

23. A switched reluctance generator as claimed in any one of claims 19 to 22 , wherein the first and second voltages are substantially the same.

24. A switched reluctance generator as claimed in any one of claims 17 to 23, wherein the switch means comprises an active switch and a diode, the active switch being arranged to enable magnetic flux growth when conducting, A switched reluctance generator characterized in that the diode is adapted to limit the flow of generated energy when the active switch is non-conductive.